«Хаббл» выяснил, что карликовые галактики сохранили лишь 11% своего кислорода

Небольшие галактики, окружающие Млечный Путь, потеряли почти весь кислород, произведённый их собственными звёздами. Перепись, основанная на наблюдениях космического телескопа «Хаббл», показывает, что типичная карликовая галактика сохраняет лишь около одного атома кислорода из каждых девяти, созданных её звёздами; остального кислорода внутри галактики, где астрономы могут его подсчитать, больше нет.

Кислород — самый распространённый элемент после водорода и гелия, и астрономы используют его как индикатор для всех более тяжёлых элементов, сырья для каменистых планет, воды и живых организмов. Карликовые галактики — самый распространённый тип галактик во Вселенной. Если они регулярно выбрасывают большую часть того, что производят их звёзды, значительная доля тяжёлых элементов космоса оказывается в почти пустом пространстве между галактиками. А компьютерные симуляции, которые правильно воспроизводят остальную химию галактик, предсказывают, что гораздо больше должно было остаться.

Проект под названием «Галактики, теряющие кислород через ветры» (Galaxies Losing Oxygen via Winds, GLOW) изучил 37 богатых газом карликовых галактик, которые всё ещё формируют звёзды. Они сохраняют от 4% до 25% кислорода, произведённого их звёздами, в среднем 10,7%. Один широко используемый набор симуляций галактик предсказывает в два-четыре раза больше.

Анализ возглавила Кристен МакКуинн (Kristen McQuinn), астроном из Научного института космического телескопа и Ратгерского университета, которая руководит центром научных операций космического телескопа НАСА имени Нэнси Грейс Роман. Результаты опубликованы в The Astrophysical Journal. «Мы знаем, что кислород когда-то должен был находиться внутри галактик, поэтому он должен был быть выброшен, — сказала соисследователь Грейс Телфорд (Grace Telford), доцент Университета Юты. — А для этого нужна энергия массивных звёзд и взрывов сверхновых, чтобы вытолкнуть материал из родительских галактик в пространство между галактиками».

Как провести инвентаризацию кислорода в галактике

Исследование работает как аудит. Сначала команда оценила, сколько кислорода каждая галактика произвела за свою жизнь. Большая часть кислорода поступает от массивных звёзд, которые заканчивают свою жизнь как сверхновые, поэтому произведённое количество отслеживает общую массу звёзд, сформированных галактикой. Исследователи измерили эту массу по инфракрасному свету, зарегистрированному выведенным из эксплуатации космическим телескопом НАСА «Спитцер», и преобразовали её в кислород с помощью стандартного выхода — массы нового кислорода, выделяемого на каждую единицу газа, превращённого в звёзды.

Затем они подсчитали, что ещё осталось. Архивные изображения «Хаббла» позволяют различить отдельные звёзды каждой галактики, а цвета и яркость этих звёзд показывают, когда они сформировались и сколько кислорода они в себе заключили. Радиотелескопы — Very Large Array в Нью-Мексико и Australia Telescope Compact Array — измерили массу водородного газа по слабому радиосигналу, который он излучает. Оптические спектры светящихся облаков вокруг молодых звёзд дали содержание кислорода в этом газе, а поправка на кислород, захваченный пылевыми зёрнами, завершила подсчёт.

Галактики были выбраны намеренно. Они находятся примерно в 3–20 миллионах световых лет от нас, достаточно близко, чтобы «Хаббл» мог различать отдельные звёзды, что невозможно для большинства известных карликовых галактик. Их массы варьируются от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца — диапазон, в котором, согласно теории, ветры сверхновых должны наносить наибольший урон. Ни одна из них не вращается вокруг большой галактики в качестве спутника. Из сохранённого ими кислорода почти весь находится в их газе, с гораздо меньшими количествами в звёздах и пыли.

Более крупные галактики сохраняют в три-четыре раза больше

Потери выглядят экстремальными по сравнению с более крупными галактиками. Исследование обобщает более ранние результаты, показывающие, что удержание возрастает в три-четыре раза для галактик с массой около десяти миллиардов солнечных масс и выше, где большая часть сохранённого кислорода заключена в звёздах, а не в газе. Андромеда, крупная спиральная галактика, ближайшая к Млечному Пути, сохранила 38% своих тяжёлых элементов, в основном в звёздах, согласно более раннему анализу Телфорд и её коллег, использовавших аналогичный метод.

Обычное объяснение — гравитация. У маленькой галактики неглубокая гравитационная яма, поэтому ударные волны взрывающихся звёзд могут выталкивать газ на скоростях, которые галактика не в состоянии удержать. Данные GLOW соответствуют простой модели, в которой утекающие ветры несут примерно вдвое большую концентрацию кислорода, чем оставшийся газ, и в которой эти галактики также получают примерно на 40% меньше свежего газа из межгалактического пространства, чем можно было бы предположить, исходя из их доли обычного вещества Вселенной.

На нижнем пределе Лео P (Leo P), тусклая карликовая галактика, которую та же группа изучала ранее, сохранила 5% своего кислорода. Некоторые из собственных спутников Млечного Пути удерживают всего от 1% до 3%, но большая галактика также лишила их газа, поэтому их потери имеют другую причину.

Окружение тоже, по-видимому, имеет значение. Карликовые галактики, находящиеся на расстоянии более 3 миллионов световых лет от любого крупного соседа, постоянно сохраняют низкую долю своего кислорода. Те, что находятся ближе к большой галактике, в более плотном окружении, как правило, удерживают больше, возможно, потому что внешнее давление заталкивает выброшенный газ обратно, или потому что они подметают кислород, выброшенный другими. И, вопреки ожиданиям команды, количество сохранённого галактикой кислорода не соответствовало её положению на стандартной зависимости между массой галактики и содержанием кислорода в её газе.

Симуляции правильно воспроизводят химию, но ошибаются в бюджете кислорода

Этот последний результат объясняет, почему исследование важно не только для карликовых галактик. Космологические симуляции настраиваются на воспроизведение соотношения масса-металличность, и три симуляции, с которыми команда проводила сравнение, все хорошо справляются с этим для данных масс. Однако те же симуляции удерживают слишком много кислорода внутри своих галактик; один набор предсказывает удержание в два-четыре раза выше измеренного. Они также предсказывают, что удержание должно резко возрастать с массой, чего не показывают совокупные наблюдения.

Симуляции попадают в правильную среднюю химию, перемещая кислород неправильным образом. Авторы утверждают, что такого рода несоответствие может разделить конкурирующие рецепты звёздной обратной связи — энергии, впрыскиваемой сверхновыми и массивными звёздами, которую каждая симуляция должна аппроксимировать, поскольку не может разрешить отдельные взрывы.

Что перепись не решает

Самый большой открытый вопрос — куда делся пропавший кислород. Ультрафиолетовые наблюдения гало диффузного газа вокруг некоторых из этих галактик обнаружили сильно ионизированный кислород, но на его долю приходится лишь от 1% до 7% произведённого кислорода. Корректировка на кислород в других состояниях может повысить долю гало до значений от 5% до 35% — диапазон, который оставляет открытым вопрос, остаётся ли большая часть кислорода рядом со своей галактикой или навсегда улетучилась в межгалактическое пространство. Команда отмечает, что даже эта корректировка может не работать, если газ гало находится в неравновесии.

Аудит также опирается на допущения. Звёздные массы имеют неопределённость около 33%, а произведённый кислород зависит от принятых выходов сверхновых и от предполагаемого распределения масс звёзд при рождении. Симуляции также используют разные выходы и разные определения того, где заканчивается галактика, поэтому авторы предостерегают от строгих поциферных сравнений, называя при этом общие тенденции надёжными. Закономерность, связанная с окружением, получена на небольшой выборке и описана как предварительная, а 37 галактик — это все богатые газом, звездообразующие полевые карлики в нашем космическом соседстве, а не все виды маленьких галактик.

Часто задаваемые вопросы о карликовых галактиках и пропавшем кислороде

Что такое карликовая галактика?

Карликовая галактика — это маленькая галактика, содержащая от нескольких тысяч до сотен миллионов звёзд, по сравнению с сотнями миллиардов в Млечном Пути. Карлики — самые многочисленные галактики во Вселенной. Те, что рассматриваются в этом исследовании, богаты газом и всё ещё формируют звёзды.

Откуда берётся кислород в галактике?

Почти весь он производится внутри массивных звёзд и высвобождается, когда они взрываются как сверхновые. Каждое поколение звёзд обогащает окружающий газ, и более поздние звёзды и планеты формируются из этого обогащённого материала. Кислород в воздухе и воде Земли был создан таким образом задолго до того, как появилось Солнце.

Куда делся пропавший кислород?

Ветры, вызванные сверхновыми, вытолкнули его из галактик. Часть его находится в диффузном гало газа вокруг каждой галактики, но измеренный кислород гало покрывает лишь небольшую часть дефицита. Остальное, возможно, полностью улетучилось в межгалактическое пространство, и текущие данные пока не могут сказать, что именно.

Почему маленькие галактики теряют больше кислорода, чем большие?

Их гравитация слабее, поэтому энергия от взрывающихся звёзд может легче поднимать газ из них. Крупные спирали, такие как Андромеда, сохраняют гораздо большую долю, в основном заключённую в их звёздах. Галактики GLOW сохранили в среднем около десятой части.

«Роман» будет искать ещё более тусклые галактики

Перепись GLOW была опубликована 2 ноября 2026 года в The Astrophysical Journal вместе с сопутствующим атласом данных о галактиках в Astrophysical Journal Supplement Series; препринты были выложены в августе. У МакКуинн есть утверждённая программа на недавно запущенном космическом телескопе «Роман» по поиску ещё более мелких и тусклых галактик на большой площади неба, которые она затем надеется изучить в деталях с помощью «Хаббла» и космического телескопа «Джеймс Уэбб». Телфорд использует «Хаббл» для изучения отдельных массивных звёзд, которые производят кислород в нескольких галактиках GLOW и выталкивают его из них.

Источник: McQuinn et al., «GLOW. II. A Census of Oxygen in Low-mass Galaxies,» The Astrophysical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-4357/ae93a6

Теги: астрономия, Hubble, NGC 4449, карликовые галактики, кислород, сверхновые